近期，大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院段玉平教授團(tuán)隊在新型微波隱身超材料研究方面取得重要進(jìn)展。該研究針對傳統(tǒng)諧振型超材料面臨的單元面內(nèi)尺寸與電磁響應(yīng)強(qiáng)耦合、難以小型化的瓶頸問題，提出了一種基于鐵磁介質(zhì)的無諧振單元超材料設(shè)計范式。過“成分-結(jié)構(gòu)二維調(diào)制策略”將反射波的振幅與相位進(jìn)行解耦，實現(xiàn)了相位調(diào)控與單元面內(nèi)尺寸的完全獨(dú)立，為開發(fā)高性能、小型化電磁隱身器件提供了全新的技術(shù)路徑。

研究成果以“基于鐵磁介質(zhì)的無諧振超材料實現(xiàn)強(qiáng)制微波損耗與緊湊型隱身斗篷” （Resonator-Free Metamaterials Based on Ferromagnetic Dielectrics for Mandatory Microwave Loss and Compact Stealth Cloaks）為題，發(fā)表在材料科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。高熵合金吸收劑最新成果（Strategy-induced strong exchange interaction for enhancing high-temperature magnetic loss in high-entropy alloy powders）發(fā)表在材料領(lǐng)域國際高水平期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。

人工電磁超材料憑借其精密幾何結(jié)構(gòu)對電磁波的調(diào)控能力，可實現(xiàn)傳播路徑、相位及幅度等的精確操控，在國防安全領(lǐng)域具有重大戰(zhàn)略意義。然而，傳統(tǒng)基于諧振結(jié)構(gòu)單元的隱身超材料，其電磁響應(yīng)受限于單元面內(nèi)尺寸與工作波長的固有耦合關(guān)系，導(dǎo)致單元難以小型化，并在相位調(diào)控精度與工作帶寬等方面存在固有局限，嚴(yán)重制約了其在緊湊型平臺上的隱身應(yīng)用。

本研究提出一種無諧振結(jié)構(gòu)超材料設(shè)計，利用鐵磁介質(zhì)單元中的縱向多層干涉效應(yīng)調(diào)控反射波，有效解耦了單元面內(nèi)尺寸對電磁響應(yīng)的約束，實現(xiàn)了跨尺度下的自由相位梯度設(shè)計。該設(shè)計不僅為電磁波操控提供了前所未有的靈活性，更通過將反射波轉(zhuǎn)化為沿超材料表面水平傳播的表面波，開創(chuàng)了一種全新的強(qiáng)制微波能量耗散機(jī)制。實驗與仿真結(jié)果（圖1）表明，當(dāng)樣品覆蓋的相位周期數(shù)達(dá)到10時，垂直入射背景下的反射波可被完全轉(zhuǎn)化為沿超材料界面?zhèn)鞑サ谋砻娌āＴ摫砻娌ㄔ谒絺鞑ミ^程中強(qiáng)制性地被具有本征損耗特性的鐵磁介質(zhì)二次吸收，使得材料內(nèi)部的平均功率損耗密度提升了36.64%，最低反射損耗達(dá)到-52 dB，有效吸收帶寬為7.4 GHz。

圖1 通過誘導(dǎo)表面波提高超材料的電磁損耗效率和反射損耗性能

利用斜入射下的特殊散射場分布，進(jìn)一步驗證了鐵磁介質(zhì)基超材料在構(gòu)建隱形斗篷中的應(yīng)用潛力（圖2）。該斗篷能夠在均勻回波背景下有效隱藏目標(biāo)的幾何形狀特征，提供了一種高效的隱身新方案。由于消除了電磁響應(yīng)對諧振結(jié)構(gòu)尺寸的依賴性，本研究提出了一種適用于曲面共形的“漸變尺寸單元”設(shè)計方法并基于此方法開發(fā)了鐵磁介質(zhì)基超材料曲形隱形斗篷，將曲形目標(biāo)產(chǎn)生的彎曲波陣面重構(gòu)為平面波陣面。在相位梯度恒定的條件下，該設(shè)計方法僅需調(diào)控單元尺寸即可精確控制反射波角度，有效解決了曲形目標(biāo)的相位補(bǔ)償難題。

圖2 斜入射下的散射場分布以及鐵磁介質(zhì)基隱身斗篷的設(shè)計示意圖

AM論文第一作者是材料學(xué)院博士生陳偉，AFM第一作者是材料學(xué)院碩士生李澤瑞，通訊作者為材料學(xué)院段玉平教授。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資助支持。